(57)【要約】【課題】  歪みを吸収してセルモジュールの破損を防ぐことのできる燃料電池を提供する。【解決手段】  外部拘束部材１は、セルモジュール２の周囲に沿って積層方向に延びた構造を有する。また、外部拘束部材１には、他の部分より機械的強度の小さい歪み受け部３が設けられている。歪み受け部３は、温度変化による歪みを吸収する部分とすることができる。このようにすることによって、歪みを歪み受け部３で吸収することができるので、セルモジュール２の破損を防ぐことが可能となる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層された複数のセルモジュールと、
前記複数のセルモジュールの周囲に沿って積層方向に延びた外部拘束部材とを有し、
前記外部拘束部材には、他の部分より機械的強度の小さい歪み受け部が設けられていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記歪み受け部は、温度変化による歪みを吸収する部分である請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記外部拘束部材は、一対の縦枠部材と一対の横枠部材とからなる矩形状の枠体を有していて、
前記一対の縦枠部材および前記一対の横枠部材は、前記セルモジュールの周囲に沿って配設されるとともに、一体的に形成されて前記枠体を構成しており、
前記一対の縦枠部材および前記一対の横枠部材の少なくとも１つに前記歪み受け部が設けられている請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記歪み受け部が設けられている部分における前記枠体の断面積は、他の部分におけるその断面積より小さい請求項３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記枠体の前記歪み受け部が設けられていない部分には開口部が設けられていて、該開口部から供給された弾性を有する接着剤によって、前記セルモジュールと前記外部拘束部材とが接着されている請求項３または４に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池に関し、特に、燃料電池のスタック構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、複数のセルモジュールが積層された燃料電池スタックを有する。通常、燃料電池が搭載された車両を走行させると、走行中の振動などによって燃料電池スタックに荷重がかかる。これにより、セルモジュール間ですべりが生じて燃料電池スタックがばらけてしまうという問題があった。
【０００３】
そこで、積層したセルモジュールをケース内に収容するとともに、押圧部材によって押圧されたエンドプレートでセルモジュールの積層構造を加圧保持する燃料電池スタックが提案されている（特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−３６７６６３号公報
【特許文献２】特開２００３−１５１６１１号公報
【特許文献３】特開２００５−４４６８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、燃料電池を運転または停止する際には、温度変化によってセルモジュールに膨張または収縮が起こる。このため、ケースとセルモジュールの熱膨張率の差によって、セルモジュールに歪み応力が作用し、セルモジュールが破損してしまうという問題があった。
【０００６】
本発明は、こうした問題点に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明の目的は、歪みを吸収してセルモジュールの破損を防ぐことのできる燃料電池を提供することにある。
【０００７】
本発明の他の目的および利点は以下の記載から明らかとなるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の燃料電池は、積層された複数のセルモジュールと、この複数のセルモジュールの周囲に沿って積層方向に延びた外部拘束部材とを有し、この外部拘束部材に、他の部分より機械的強度の小さい歪み受け部が設けられていることを特徴とするものである。
【０００９】
本発明において、歪み受け部は、温度変化による歪みを吸収する部分とすることができる。
【００１０】
本発明の燃料電池は、外部拘束部材が、一対の縦枠部材と一対の横枠部材とからなる矩形状の枠体を有していて、一対の縦枠部材および一対の横枠部材は、セルモジュールの周囲に沿って配設されるとともに、一体的に形成されて枠体を構成しており、一対の縦枠部材および一対の横枠部材の少なくとも１つに歪み受け部が設けられているものとすることができる。この場合、歪み受け部が設けられている部分における枠体の断面積は、他の部分におけるその断面積より小さいことが好ましい。また、枠体の歪み受け部が設けられていない部分には開口部が設けられていて、この開口部から供給された弾性を有する接着剤によって、セルモジュールと外部拘束部材とが接着されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の燃料電池によれば、外部拘束部材に、他の部分より機械的強度の小さい歪み受け部が設けられているので、温度変化などによって発生した歪みをこの歪み受け部で吸収することができる。これにより、セルモジュールの破損を防ぐことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１〜図６を用いて、本実施の形態における燃料電池について説明する。尚、これらの図において、同じ符号を付した部分は同じものであることを示している。
【００１３】
本実施の形態では、燃料電池スタックを構成するセルモジュールを分割し、複数のセルモジュール毎に外部拘束部材によって拘束する。このようにすることによって、慣性重量を低減することができる。１つの外部拘束部材によって拘束されるセルモジュールの数は、例えば１０個〜２０個程度とすることができる。
【００１４】
図１は、外部拘束部材１によって拘束されたセルモジュール２を、積層方向から見たときの図である。また、図２は、図１のＡ−Ａ′線に沿う断面図である。さらに、図３は、図１のｘ方向から見た図であり、図４は、図１のｙ方向から見た図である。
【００１５】
図１〜図４に示すように、外部拘束部材１は、セルモジュール２の周囲に沿って積層方向に延びた構造を有する。
【００１６】
本発明は、外部拘束部材に、他の部分より機械的強度の小さい歪み受け部を設けることを特徴としている。そして、本実施の形態では、図１〜図４に示すように、外部拘束部材１のセルモジュール２に対向する面に歪み受け部３を設けている。ここで、歪み受け部３は、同じ面の他の部分より幅および厚さの小さい部分、すなわち、他の部分より機械的強度に劣る部分である。具体的には、他の部分に対して、幅および厚さがともに２分の１以下であることが好ましい。２分の１より大きくなると、以下に述べる温度変化による歪みを吸収する効果を十分に得ることができなくなる。但し、幅および厚さが他の部分より極端に小さくなると、機械的強度が小さくなり過ぎて実用に耐えなくなるので好ましくない。
【００１７】
本実施の形態によれば、温度変化などによって外部拘束部材１に歪みが発生した場合、この歪みは歪み受け部３で吸収される。換言すると、熱膨張や冷間収縮による歪みは、歪み受け部３が変形することによって吸収される。このため、外部拘束部材１の全体の変形量を軽減できるので、歪み受け部３を除くと、外部拘束部材１とセルモジュール２との相対的な位置関係は殆ど変わることが無い。
【００１８】
一方、燃料電池スタックに対して、外力が加わった場合にも外部拘束部材１には歪みが発生する。この場合、外力が過大である場合には、機械的強度の弱い歪み受け部３が破損する。これにより、歪みは解放されるので、セルモジュール２が破損するのを防ぐことができる。
【００１９】
外部拘束部材１を構成する材料としては、セルモジュール２より大きい熱膨張率を有するものを用いる。これにより、セルモジュール２の変形によって、セルモジュール２または外部拘束部材１が破損するのを防ぐことができる。具体的には、ガラス強化ポリアミド、ガラス強化ＰＢＴ（ポリブチルテレフタレート）およびＡＢＳ（アクリロニトリル、ブタジエンおよびスチレンの共重合体）などの樹脂を用いることができる。
【００２０】
尚、本実施の形態においては、歪み受け部は、他の部分より機械的強度に劣る部分であればよく、必ずしも他の部分より幅および厚さの小さい部分でなくてもよい。例えば、歪み受け部と他の部分との材料組成を変えることによって、幅および厚さは同じであっても機械的強度が異なるようにすることもできる。
【００２１】
図１、図３および図４に示すように、外部拘束部材１がセルモジュール２に対向する面には、第１の開口部４が設けられている。そして、第１の開口部４から接着剤を供給することによって形成された接続部５を介して、セルモジュール２に外部拘束部材１を固定することができる。尚、図に示すように、接続部５と歪み受け部３は異なる個所に設けるようにする。具体的には、外部拘束部材１がセルモジュール２に対向する面において、この面の歪み受け部３以外の部分に接続部５を設けるようにする。このようにする理由は、歪み受け部は積極的に変形させる個所であるので、接続部を歪み受け部とした場合には、変形によって接着性が低下するおそれがあるからである。但し、歪みによって接続部も多少は変形すると考えられるので、接着剤には、ゴム系接着剤などの弾性を有するものを用いることが好ましい。
【００２２】
図１に示すように、外部拘束部材１の四隅には、第２の開口部６が設けられている。本実施の形態においては、第２の開口部６のそれぞれに、シャフトなどの締結部材（図示せず）を通し、さらに、この締結部材を他の外部拘束部材（図示せず）の第２の開口部にも通す。これにより、複数の外部拘束部材をセルモジュールの面方向での位置ずれが生じないように互いに締結して燃料電池スタックを構成することができる。締結部材としては、金属などの剛性の大きい材料を用いることが好ましい。
【００２３】
図５は、本実施の形態における燃料電池の側面図である。図に示すように、セルモジュール２は、複数個毎に外部拘束部材１によって拘束されている。そして、外部拘束部材１は締結部材９によって締結されて、燃料電池スタック１０を構成している。燃料電池スタック１０には、各種流体の供給用または排出用の配管１１が接続されている。また、配管１１が接続されていない方の燃料電池スタック１０の端部には、セルモジュール２に対してその積層方向に荷重を印加するバネ１２が設けられている。バネ１２による荷重は、エンドプレート１３を介して設けられたネジ１４によって調整可能である。
【００２４】
図６は、図５の燃料電池の上面図である。但し、図６の上部ケース１５は、図５では省略している。
【００２５】
図６に示すように、燃料電池スタック１０は、インシュレータマウント１６によって下部ケース１７に固定されており、さらに、ボディメンバ１８によって車両（図示せず）に取り付けられている。また、燃料電池スタック１０にはセルモニタ１９が取り付けられており、セル電圧を測定できるようになっている。そして、燃料電池スタック１０は上部ケース１５によって覆われていて、上部ケース１５と下部ケース１７の間にはガスケット２０が設けられている。
【００２６】
本実施の形態においては、図１に示すように、セルモジュール２に、外部拘束部材１との位置合わせのための位置合わせ部７，８が設けられていることが好ましい。これにより、複数のセルモジュール２を積層した後で、各セルモジュールのｘ方向およびｙ方向を位置決めすることができる。図の例では、位置合わせ部７はｘ方向の位置決めに使用され、位置合わせ部８はｙ方向の位置決めに使用される。
【００２７】
位置合わせ部を設けることによって、複数の外部拘束部材を締結部材によって締結して燃料電池スタックを構成したときに、全てのセルモジュールが所定の位置に配置されるようにすることができる。尚、図１に示すように、位置合わせ部７，８と歪み受け部３は異なる個所に設けるようにする。なぜなら、歪み受け部は積極的に変形させる個所であるので、位置合わせ部を歪み受け部とした場合には、変形によってセルモジュールに位置ずれが生じるおそれがあるからである。
【００２８】
以上述べたように、本実施の形態によれば、外部拘束部材に歪み受け部を設けることによって、温度変化などによって発生した歪みを歪み受け部で吸収することができる。これにより、外部拘束部材とセルモジュールとの相対的な位置関係の変化量を最小限にしてセルモジュールの破損を防ぐことが可能となる。
【００２９】
尚、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、種々変形して実施することができる。
【００３０】
例えば、上記実施の形態においては、歪み受け部を外部拘束部材のセルモジュールに対向する面に設けたが、本発明はこれに限られるものではない。
【００３１】
本発明においては、外部拘束部材を、一対の縦枠部材と一対の横枠部材とからなる矩形状の枠体を有するものとすることができる。また、一対の縦枠部材および一対の横枠部材は、セルモジュールの周囲に沿って配設されるとともに、一体的に形成されて枠体を構成するものとすることができる。（例えば、図１の例では、外部拘束部材１は枠体２１を有し、枠体２１は、縦枠部材２２，２２′および横枠部材２３，２３′によって構成されている。）この場合、歪み受け部は、一対の縦枠部材および一対の横枠部材の少なくとも１つに設けられていればよく、必ずしも外部拘束部材のセルモジュールに対向する面に設けられていなくともよい。また、歪み受け部は、それが設けられている部分における枠体の断面積が他の部分における枠体の断面積より小さいことが好ましい。但し、必ずしも他の部分より幅および厚さが小さくなくてもよい。また、枠体の歪み受け部が設けられていない部分には開口部を設けることができ、この開口部から供給された弾性を有する接着剤によって、セルモジュールと外部拘束部材とを接着することができる。以上のような構成であっても、歪み受け部で歪みを吸収することができるので、外部拘束部材とセルモジュールとの相対的な位置関係の変化量を最小限にして、セルモジュールの破損を防ぐことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明におけるセルモジュールを積層方向から見た図である。
【図２】図１のＡ−Ａ′線に沿う断面図である。
【図３】図１のｘ方向から見た図である。
【図４】図１のｙ方向から見た図である。
【図５】本発明における燃料電池の側面図である。
【図６】本発明における燃料電池の上面図である。
【符号の説明】
【００３３】
１  外部拘束部材
２  セルモジュール
３  歪み受け部
４  第１の開口部
５  接続部
６  第２の開口部
７，８  位置合わせ部
９  締結部材
１０  燃料電池スタック
１１  配管
１２  バネ
１３  エンドプレート
１４  バネ
１５  上部ケース
１６  インシュレータマウント
１７  下部ケース
１８  ボディメンバ
１９  セルモニタ
２０  ガスケット
２１  枠体
２２，２２′  縦枠部材
２３，２３′  横枠部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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